데이터 링크 계층이 왜 필요한데?

데이터 링크 계층은 네트워크 장비 간에 신호를 주고받는 규칙을 정하는 계층으로, 랜에서 데이터를 정상적으로 주고받기 위해 필요한 계층이다. 그 규칙중 일반적으로 많이 사용되는 규칙이 이더넷이다.

  • 이더넷(Ethernet)
    이더넷은 허브와 같은 장비에 연결된 컴퓨터와 데이터를 주고 받을 때 사용된다.
    저번 장에서 허브의 문제점에 대해 알아봤다. 허브에 연결된 모든 컴퓨터가 데이터를 수신한다. 라는 단점이 있는데 여기서 목적지의 정보를 데이터에 추가해서 보낼 경우 각 컴퓨터는 목적지를 맞는지 확인하고 아닌경우 데이터를 버리게 된다.

  • CSMA/CD
    Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection(반송파 감지 다중 접속 및 충돌 감지)
    허브에서 컴퓨터 여러 대가 동시에 데이터를 보내면 서로 부딪혀 충돌(collision)이 일어난다. 이때

    1. 데이터를 보내려고 하는 컴퓨터가 케이블에 신호가 흐르는지 확인하고 -> CS
    2. 케이블에 신호가 흐리지 않으면 데이터를 보내는 방법이다. -> MA
    3. 충돌을 막아준다. -> CD

    ❗️지금은 효율이 좋지 않다는 이유로 CSMA/CD 대신 스위치를 사용한다.

MAC 주소란?

0과1로 된 비트열을 전기 신호로 변환하는 랜 카드에는 MAC주소라는 번호가 정해져있다. MAC주소는 전 세계에서 유일한 번호로 할당되어 있다. MAC 주소는 48비트로 되어 있고 앞쪽 24비트는 랜 카드를 만든 제조사 번호, 뒤쪽 24비트는 제조사가 붙인 일련번호이다.

analog sign, digital sign

데이터 링크 계층에서 캡슐화

이더넷 헤더와 트레일러를 붙인다.

  • 이더넷 헤더
    이더넷 헤더는 목적지의 MAC주소, 출발지의 MAC주소, 이더넷 유형으로 구성되어 있다. 총 14바이트로 구성되어 있다.
analog sign, digital sign

이더넷 유형은 상위 계층 프로토콜의 종류를 나타낸다.

analog sign, digital sign
  • 트레일러
    트레일러는 FCS(Frame Check Sequence)라고도 한다. 데이터 전송 도중에 오류가 발생하는지 확인하는 용도이다.

    데이터 링크 계층에서 이더넷 헤더와 트레일러가 붙은 데이터를 프레임이라고 한다.

스위치

앞에서 계속 허브로 설명을 하고 드물게 스위치라는 단어를 사용했어서 궁금할 수 있다. 지금부터 스위치를 배워서 궁금증을 해결해보자

  • MAC 주소 테이블이란?
    앞에서 스위치는 허브와 달리 더미 데이터가 생기지 않는다고 했다. 이게 가능한 이유가 스위치의 MAC 주소 테이블 때문이다.
    MAC 주소 테이블은 스위치의 포트 번호와 해당 포트에 연결된 컴퓨터의 MAC 주소가 등록되는 DB이다.
analog sign, digital sign
  1. 초기 MAC 주소 테이블에는 아무것도 등록되어 있지않다.
  2. 컴퓨터 1이 목적지의 MAC주소를 포함한 프레임을 컴퓨터 3로 보낸다고 해보자
  3. MAC 주소 테이블에는 아무것도 없기에 MAC 주소 테이블에 컴퓨터 3의 스위치 포트 번호와 MAC 주소를 등록하고 송신한 컴퓨터를 제외한 모든 컴퓨터 2~5에게 데이터를 송신한다. 이를 플러딩(flooding, 홍수)라고 한다.
  4. 만약 다시 컴퓨터 3에게 프레임을 보낸다면 MAC 주소 테이블을 참고하여 플러딩이 일어나지 않고 컴퓨터 3에게만 프레임이 전송된다. (MAC 주소 테이블에서 목적지 MAC주소를 찾는 것을 MAC 주소 필터링라고 한다.)
analog sign, digital sign
analog sign, digital sign

스위치는 허브에서 일어나는 충돌을 막기위해 생겨났고 스위치 내부의 MAC 주소 테이블을 이용한다. but 플러딩이 일어날 수 있음.

허브와 스위치

허브와 스위치를 차이를 알기 전에 두가지 용어를 보고 가자

  • 전이중 통신 방식
    데이터의 송수신을 동시에 통신하는 방식, 충돌 발생 X

  • 반이중 통신 방식
    회선 하나로 송신과 수신을 번갈아가면서 통신하는 방식, 충돌 발생 O

스위치는 전이중 통신 방식, 허브는 반이중 통신 방식이다.

  • 충돌 도메인이란?
    데이터 전송 과정에 충돌 발생 시 그 영향이 미치는 범위이다.
    전이중 통신 방식은 출동이 일어나지 않음
    충돌 도메인이 적을 수록 네트워크 지연 ⬇️, 네트워크 효율⬆️

허브는 연결되어 있는 컴퓨터 전체가 하나의 충돌 도메인이 된다. 스위치는 컴퓨터 하나가 충돌 도메인이 된다.

analog sign, digital sign
analog sign, digital sign

즉, 허브 대신 충돌 도메인이 적은 스위치를 사용해야 한다.

ARP

Address Resolution Protocol의 약자로 목적지 컴퓨터의 IP 주소를 이용하여 MAC 주소를 찾기 위한 프로토콜이다. 네트워크 계층 주소와 데이터 링크 계층 주소 사이의 변환을 담당하는 프로토콜이다.

참고